정창규 교수팀(공대 신소재공학부)이 압전 복합소재를 문어 빨판 구조에 접목시켜 접착력이 매우 높은 자가발전 패치를 개발했다.

성균관대학교 화학공학부 방창현 교수팀과 공동연구로 이뤄진 이번 연구는 에너지 및 화학 분야 세계적 저널인 『ACS Energy Letters (IF = 23.101)』의 5월호 단행본으로 출판됐으며, 표지 논문으로 선정됐다.(논문명: Conformably Skin-Adherent Piezoelectric Patch with Bioinspired Hierarchically Arrayed Microsuckers Enables Physical Energy Amplification) 해당 연구 논문은 전북대 김현승 박사과정 학생과 성균관대 김다완 박사가 공동1저자로 참여했다.

압전 소재는 외부의 기계적인 힘을 전압으로 바꾸거나 그 반대로도 바꿀 수 있는 물질로서 센서, 트랜스듀서 등 많은 곳에서 사용되고 있으나 단단한 세라믹스 소재로 되어 있다.

압전 복합소재는 압전 세라믹 입자와 부드러운 고분자를 섞어서 만드는 물질로, 웨어러블 형태나 헬스케어 전자소자에 적용하기 위해 개발됐으며, 최근 센서나 에너지 하베스팅 분야에서 많이 연구되고 있다. 그럼에도 불구하고 압전 복합소재 필름을 몸에 붙였을 때 쉽게 떨어지고, 수분에 젖은 분위기에서는 아예 붙지 않는다는 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 문어 빨판 구조를 접목시키는 방법을 개발했다. 문어의 빨판 내부에는 독특한 돌기가 존재한다. 문어 빨판이 외부의 힘에 의해 젖은 표면에서 붙으면서 표면의 수분을 밀어내고, 남은 수분은 구형 돌기 및 돌기 주변에 모세관 현상에 의해 모이게 된다. 이 때, 문어 빨판 내부는 진공상태로 변하고 높은 부압(negative pressure)이 형성되어 표면에 강하게 부착되게 된다. 이는 자연적으로 형성되는 부항과 같은 것이며, 이 연구는 방창현 교수팀에 의해 네이처(Nature)지에 2017년에 처음으로 보고된 바 있다.

이러한 문어 빨판 구조 모사기술 역시 부드러운 고분자를 이용해 제작하기 때문에 압전 복합소재의 부드러운 고분자 매트릭스와 같이 한꺼번에 제작하여, 문어 빨판 구조가 접목된 압전 에너지 복합소자를 개발 할 수 있었다. 이렇게 제작된 생체모방 압전 복합소자는 기존 압전 복합소재 에너지 발전소자 만큼의 출력을 내는 것은 물론, 관절에 붙여서 자유롭게 움직이거나 물 속 에서 붙였을 때도 떨어지지 않고 에너지 패치로서 작동한다는 것을 확인했다.

정창규 교수는 “유연한 압전 복합소재 에너지 하베스팅 연구는 많이 되었으나, 신체에 효율적으로 붙이는 연구는 항상 한계가 있었는데 이번 연구를 통해 효율적인 압전 헬스케어 센서를 만드는 것이 가능해졌다”고 말했다.

성균관대 방창현 교수는 “문어 빨판 구조를 모사하여 지난 네이처 논문에 발표한 이후, 피부부착 헬스케어 모니터링 소자 개발에 많은 관심을 쏟았는데, 이번 연구는 압전 소자 분야와 본격적으로 융합연구를 시작하는 신호탄”이라고 연구 의의를 밝혔다.

이번 연구는 전북대학교, 성균관대학교 및 고려대학교 세종캠퍼스 전자및정보공학과의 천성우 교수 등 수도권-지방 간의 긴밀한 협업으로 이뤄졌으며, 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 한국연구재단 중견연구자사업, 신진연구자사업 및 기본연구사업 으로 수행되었다.